Потапов А.О. Основи сучасних технологій ( Фізичні основи надвисокочастотних технологій). Конспект лекцій - файл n1.doc

приобрести
Потапов А.О. Основи сучасних технологій ( Фізичні основи надвисокочастотних технологій). Конспект лекцій
скачать (14751 kb.)
Доступные файлы (1):

n1.doc

14751kb.

13.09.2012 21:39

скачать

n1.doc

1 2 3 4 5 6 7

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ТЕХНОЛОГІЙ ТА ДИЗАЙНУ

Потапов А.О.

К о н с п е к т л е к ц і й

з дисципліни

фізичні основи сучасних технологій

(Фізичні основи надвисокочастотних технологій)

Для студентів спеціальності 06.503

Київ-2004

УДК 530.1 : 681.2

Фізичні основи сучасних технологій (Фізичні основи надвисокочастотних технологій). Конспект лекцій / А.О.Потапов. - К.: КНУТД, 2004.- 110 с.

В посібнику викладені теоретичні основи надвисокочастотних технологій, які побудовані на взаємодії електромагнітного поля з речовиною. Основна увага приділена виявленню функціональних зв'язків між фізичними і технологічними параметрами. Приведені приклади практичного застосування надвисокочастотних технологій у переробній промисловості, енергетиці, зв'язку, медицині тощо.

В дотатку до конспекта приведені методичні вказівки до лабораторних робіт із запропонованого навчального курсу.

Конспект лекцій призначений для студентів технологічних вузів, що спеціалізуються в галузі створення й експлуатації нового технологічного обладнання, приладобудування, автоматизації виробничих процесів.

Відповідальний за випуск – Клименко А.П.

ВСТУП

Конспект лекцій включає окремі розділи курсу фізики, які спрямовані на більш глибоке вивчення фізичних процесів взаємодії електромагнітного поля надвисоких частот (НВЧ) із речовиною, які є основою технологічного застосування НВЧ, і розповсюдження електромагнітних хвиль.

Надвисокі частоти охоплюють діапазон частот від 300 МГц до 300 ГГц і включають дециметровий (ДМ), сантиметровий (СМ) і міліметровий (ММ) діапазони довжин хвиль. Досить часто міліметрові і більш короткі хвилі відносять до діапазону край високих частот (КВЧ). Електромагнітні хвилі терагерцового діапазону (1ТГц=10¹²Гц) вже практично співпадають з нижнею межею інфрачервоного оптичного діапазону довжин хвиль. НВЧ і КВЧ електромагнітні хвилі відокремлюють від інфрачервоних лише за способом їх генерації : НВЧ і КВЧ електромагнітні хвилі отримують за допомогою радіотехнічних електронних приладів, а електромагнітні хвилі оптичного діапазону отримують у результаті внутріатомних і міжмолекулярних процесів у речовині.

Технологічні застосування НВЧ найчастіше пов'язані з тим, що, розповсюджуючись у речовині, електромагнітні хвилі поглинаються, віддаючи свою енергію цій речовині, при цьому енергія електромагнітних коливань перетворюється в енергію хаотичного руху молекул – в теплоту. Це явище покладене в основу НВЧ розігріву і сушки, волого-теплової обробки в легкій, харчовій та деревообробній промисловості, в приготування їжі тощЗ другого боку, НВЧ використовують для безпровідної передачі енергії як у системах зв'язку (телекомунікації), так і в силовій енергетиці.

Виходячи з цього, запропонований конспект лекцій включає розділи, що описують фізичні процеси пов'язані із розповсюдженням електромагнітних хвиль в різних середовищах і направляючих системах, їх взаємодію з речовиною, питання генерації й управління НВЧ коливаннями та їх застосування .

Лекції курсу знаходяться у логічному зв`язку між собою, проте можуть розглядатись незалежно одна від одної, тому що базуються на матеріалі загального курсу фізики . При викладі теоретичних концепцій не ставилось за мету дотримуватись єдиного підходу до побудов феноменологічних і математичних моделей, більше того, в деяких випадках явища описувались з різних позицій навмисно, щоб дати можливість студенту всебічно оцінити проблему й способи її вирішення .

Список рекомендованої літератури, що пропонується для самостійного вивчення курсу, включає як посібники загального курсу фізики, так і спеціальну літературу щодо НВЧ технологій.

Конспект лекцій узгоджений з типовою програмою з дисципліни «Загальна фізика» та типовою й робочою програмами курсу «Фізичні основи сучасних технологій».

НВЧ технології в багатьох випадках дозволяють оптимізувати виробничі процеси з міркувань енергозбереження й забезпечення стабільного випуску високоякісної продукції з високою ефективністю тому, що відбувається безпосереднє перетворення електричної енергії у теплову без використання проміжних теплоносіїв. Крім того, пряме управління електрообладнанням без проміжних перетворювачів дозволяє створювати ефективні комп'ютерні системи автоматизації технологічних процесів.

Виходячи зі сказаного, предметом вивчення запропонованого курсу «Фізичні основи сучасних технологій»(«Фізичні основи НВЧ технологій»), є електромагнітні явища в речовині і направляючих системах, встановлення зв`язку між фізичними величинами, що характеризують ці явища, і технологічними параметрами, які визначають виробничий процес, а також методи генерації НВЧ коливань і управління ними, питання практичного застосування НВЧ.

Конспект включає 5 розділів – лекцій і додаток; розподіл на лекції виконаний тематично.

В першому розділі проаналізовані рівняння Максвела, які складають основу електродинаміки. Основна увага приділена математичним моделям таких фізичних параметрів як діелектрична і магнітна проникність речовини, що входять в матеріальні рівняння із системи рівнянь Максвела і характеризують електричні й магнітні властивості речовини.

Другий розділ, присвячений дослідженню основних механізмів поляризації та намагнічування діелектриків і провідного середовища, виникненню частотної дисперсії діелектричних параметрів, виявленню механізму перетворення енергії електромагнітного поля в теплову.

В третьому розділі розглянуті процеси розповсюдження електромагнітних хвиль в різних середовищах і направляючих системах (хвилеводах), в закритих електродинамічних об'ємах – резонаторах.

В четвертому розділі розглянуті принципи дії електровакуумних та напівпровідникових НВЧ генераторів і сенсорів, а також методи управління цими генераторами.

В п'ятому розділі розглянуті приклади застосування НВЧ технологій в галузях зв'язку та радіолокації, технологічного контролю й моніторингу, волого-теплової й біологічної обробки речовин і матеріалів, в медицині та війську.

В дотатку до конспекта приведені методичні вказівки до лабораторних робіт із запропонованого навчального курсу.

Список рекомендованої літератури дозволить розширити обсяг інформації зі згаданого курсу при самостійній роботі.
Лекція 1. Взаємодія електромагнітного поля з речовиною.

1.1. Часова та просторова дисперсія електричних і магнітних

параметрів речовини.
Електромагнітні явища у різних середовищах в повній мірі описують макроскопічними рівняннями Максвела, які узагальнюють експериментальні факти і явища

або

(1.1)

або

(1.2)

або

(1.3)

або

(1.4)

де E – вектор напруженості електричного поля; D - вектор електричної індукції; Н- вектор напруженості магнітного поля; В - вектор індукції магнітного поля; І₀-сторонній електричний струм;

- густина електричного заряду, с-швидкість розповсюдження еуектромагнітного поля в вакуумі.

Рівняння (1.1) описують закон електромагнітної індукції Фарадея в диференціальній і інтегральній формі відповідно, далі аналогічно, рівняння (1.2) - закон повного струму Ампера і закон Біо-Савара-Лапласа, рівняння (1.3) - теорема Гауса-Остроградського, яка засвідчує, що електричні заряди є джерелом виникнення електричного поля, рівняння (1.4) - свідчить, що магнітне поле має вихровий характер і магнітні заряди відсутні.

Електричне

і магнітне

поля викликають відповідно електричну поляризацію (поляризованість)

і магнітну поляризацію (намагнічуваність)

середовища, в якому вони існують і пов`язані між собою такими співвідношеннями

;

; (1.5)

В попередніх записах відповідними символами було підкреслено, які фізичні величини є векторними, тому в подальшому тексті ці символи будуть виключені, щоб не захаращувати записи, а векторний характер відповідних величин при необхідності буде підкреслюватись окремо.

Вектори поляризованості Р і намагнічуваності М пов`язані з

первинними електричним і магнітним полями через параметри середовища

(1.6)

де

й тензори електричної і магнітної сприйнятливості відповідно.

Рівняння (1.5), які мають назву “матеріальних”, з урахуванням (1.6), набудуть такого вигляду

(1.7)

де

-тензори діелектричної і магнітної проникності відповідно,

одиничний тензор.

Рівняння (1.1-1.4, 1.7) свідчать, що індукція В магнітного і D електричного полів в речовині нелінійно залежать від напруженості Н магнітного і Е електричного збуджуючих полів та їх похідних по просторовим координатам і часу, що відповідає наявності просторової та часової дисперсії, тобто величина векторів В і D в точці вимірювання залежить від місцеположення відносно точки збудження полів та часової затримки щодо моменту збудження.

Розглянемо докладніше, як врахувати і описати аналітично просторову і часову дисперсію, виходячи з деяких загальних принципів, наприклад принципу причинності, міркувань симетрії та однорідності часу і наближенні “малості” величини збудження, коли, наприклад, збуджуюче електричне поле менше, чим, внутрішнє «атомне» поле (аналогічно - для магнітного поля).

Електрична поляризація, в такому випадку, в точці з координатами r , яка викликана дією електричного поля Е(r) , може бути визначена через лінійне співвідношення

(1.8)

де t^*,r^* - момент часу і координати точки, де діє збуджуюче поле,

t, r - поточний час і координати, dv - елемент об`єму середовища, в якому визначається електрична поляризація , інтегрування по часу від

означає необхідність врахування стану середовища до моменту збудження.

Виходячи з принципу однорідності часу, за яким процес залежить не від моменту початку відліку, а лише від перебігу часу, можна вважати справедливим для діелектричної сприйнятливості

Подібним чином для однорідного (квазіоднорідного) середовища можна вважати справедливим

Спершу розглянемо випадок відсутності просторової дисперсії, що означає дослідження поляризації практично в точці збудження. Для цього випадку вираз (1.8) набуде такого вигляду

(1.9)

Будемо вважати, що час затримки

достатньо малий, і після його стікання поляризуємість

(

не дає помітного вкладу в інтеграл (1.9).

При цій умові інтеграл (1.9) можна розкласти в ряд по степенях

(1.10)

В цьому виразі

та

- постійні. Одночасно слід очікувати, що виходячи з міркувань розмірності, має бути

, а t₀ - характеристичний час середовища (час релаксації , період власних коливань та інш.) по відношенню до частоти поля збудження Е(t).

Як відомо, певну функцію, що залежить від часу, можна подати через частотні гармонічні складові за допомогою Фур`є - перетворень; тож зробимо це з функцією E(t)

Прийнявши це до уваги, вираз (1.10) можна привести до вигляду

Звідси знаходимо остаточний вираз для вектора поляризації

(1.11)

Таким чином, наявність часової дисперсії приводить до залежності діелектричної сприйнятливості від частоти, що має назву «частотна дисперсія». В тому випадку, коли частота

збуджуючого поля або Фур`є-компоненти

, менша характеристичної частоти

то у виразі (1.10) членами вищих порядків можна знехтувати.

Розглянемо тепер інший граничний випадок - відсутня частотна дисперсія.

де

-постійний тензор.

При відсутності частотної дисперсії і наявності просторової дисперсії вираз (1.8) набуде вигляду

(1.12)

Визначимо вектор поляризації та напруженості електричного поля через Фур`є-компоненти і, підставивши ці значення в (1.12), отримаємо

(1.13)

де k - хвильове число,

швидкість розповсюдження дії поля.

Таким чином, наявність просторової дисперсії приводить до залежності діелектричної сприйнятливості від хвильового числа.

Оскільки просторова дисперсія зумовлена не локальністю дії електричного поля (поле діє не в точці, а в деякій області поблизу цієї точки), то можна говорити про «ефективний радіус впливу» r₀= r-r^*.

Розкладемо вираз для поляризації (1.12) у ряд по степенях (r-r^*),

вважаючи,що на величину інтегралу впливають лише точки простору в межах «радіусу впливу»

(1.14)

В тому випадку, коли довжина хвилі

збуджуючого поля або інший характеристичний параметр перебільшує розміри неоднорідності kr₀

1 , просторову дисперсію можна вважати слабкою.

P(r) =

E ; (1.15)

Характеристичним параметром, що має розмірність довжини, може бути, скажемо, глибина проникнення електромагнітного поля в метал (скін - шар), а «ефективним радіусом впливу» може бути міжатомна відстань.

При дослідженні конкретного явища необхідно з`ясовувати, які саме фізичні величини відіграють роль характеристичного часу t₀ або відстані r₀ та інші параметри відповідно до запропонованого метода дослідження явищ.

В загальному випадку може мати місце і часова (частотна) і просторова дисперсія електричної поляризації

(1.16)

За методом, викладеним вище. можна дослідити просторову й частотну дисперсію вектора намагнічування М_і чи струму провідності

_пр

(1.17)

Відповідно до виразу (1.7) можна говорити про частотну й просторову дисперсію діелектричної та магнітної проникності

1 2 3 4 5 6 7

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ